PoE的高功率演进

电子发烧友网报道（文/李宁远）PoE以太网供电是一项历史悠久被广泛采用的供电技术，可以看到我们身边和PoE相关的设备越来越多，互联网协议IP电话、Wi-Fi连接的无线接入点和IP摄像头等等，现在以太网供电PoE已经成为几乎所有企业和工业物联网部署的必备技术。
 
PoE市场演进方向
 
传统设备一般采用从市电通过适配器向设备供电这种模式，信号再通过网线单独传输，PoE以太网供电则通过利用现存标准以太网传输电缆同时传送数据和电功率，像互联网协议IP电话、IP摄像头这些PoE设备就是通过100 m的标准CAT5以太网电缆实现电力和信号的传输，这类供电功率在25.5W和30W（接受/发送）水平。PoE以太网供电带来的好处是显而易见的，在成本、布线、远程控制、兼容性方面都很有竞争力。
 

PoE功率水平，MPS

 
从功率水平的演进来看，1999年的PoL的10W，到IEEE 802.3af的15W，at的30W以及bt的90W，PoE功率的升级让其适配的应用也越来越多。尤其是802.3bt标准推出并引入了以太网联盟EA徽标计划后，802.3bt可向后兼容802.3at和802.3af，一个较低功率802.3at或802.3af的PD设备可连接至一个较高功率802.3bt的PSE，并可通过4对以上CAT5E线缆最高提供90W功率输出，PoE的应用开始在各个领域快速发展。
 
PoE设备不再局限于IP电话、IP摄像头这些小型应用，现在如HMI、5G微基站等新的终端都开始使用PoE进行供电传输，照明领域的PoE应用的普及尤为快速，PoE设备不仅仅提供基础的照明功能，还能够集成多种传感器，成为一个多功能节点，可以通过LED，PoE和KNX设备寻址，目前很多厂商都在关注这一领域的应用。
 
PoE实现中的细节
 
PoE设计中供电设备PSE和受电设备PD的互操作性以及是否符合标准是至关重要的。实现PoE的整个流程分为四个部分，首先需要PSE判断PD是否符合标准。如果符合标准，PSE就会和PD通信，确定PD需要的功率等级。确定功率等级后，PSE开始对PD进行上电操作。上电后PSE会对PD进行电源管理，一是功率上限管理，二是PD断开后的PSE断电管理。
 
在判断PD是否符合标准的环节，具体来看是PSE判断负极输出的接入电阻是否符合23.7K-26.3K这个区间，为了确保判断的准确性，PSE会产生两次电压或电流分别去测量电流或电压，然后根据计算出的阻值判断PD设备的合规性。
 
然后是功率分类阶段，PSE会先把电压升到15.5V-20.5V之间，判断流出电流的大小，对PD等级进行划分。Class1-3只需要做一次判断，整个环节最多需要做5次测量分类。PD设备在该环节做得就简单很多，在Class电压范围内通过一个LDO接一个电阻去产生一个对应的电流。
 

PD Class划分

 
到上电环节，PSE会对上电电流做限制，比如Class4最大的上电电流不能超过400mA。因为电流较小，为了减小电容对PD输入电压的影响，PD的输入电容不能超过120nF。但是后续的DCDC一般又需要较大的输入电容，这就需要PD用一个MOSFET对PD的输入电容和DCDC的输入电容进行隔离。等开始上电后，慢慢打开MOSFET对DCDC电容进行充电，以满足PSE对上电电流的要求。
 
虽然PSE对功率做了详细划分，但是每个功率等级还是有一定的范围，当PD需求的功率在两个范围之间时，PSE提供的功率会有一些浪费。为了避免这个问题，802.3bt标准在推出时引入了自动分类功能。在第一次Class过程的最后时间，PD会把电流切换回Class0的功率等级，PSE检测到该信号就会自动开启该功能。在PSE完成大概的功率等级区分开始上电后，会在极短的时间内读取实际电流然后将功率进行精准调整。
 
PoE设计挑战
 
在以前的PoE中，一个电源通道就足以为每个PoE端口供电，现在不仅增加了电源通道用以实现不同等级的电平，还需要提高每个通道的功率密度。随着这些设备的发展，功能越来越多，尺寸越来越小，设计也在进一步简化。电源模块是这些PoE设备的核心，如何减少电源模块体积，体积减小后如何保证效率以及如何将温升维持在需求范围内都是PoE设备设计中的挑战。
 
从PSE设计的角度来说，挑战来自浪涌和电缆放电、系统级的隔离需求、LED照明支持、复杂802.3bt标准的变更、端口混合设计、多样的寄存器接口、热效率以及功率输出效率等，其交换芯片的上电延迟也极大影响了PSE是否会受到PD延迟影响。为了权衡尺寸、效率以及散热，很多厂商选择采用外部FET架构来设计并为PSE系统保留可拓展性以便按照功率需求确定端口数量。
 

PSE芯片，芯昇电子

 
PD控制器也越来越多地开始集成高效率DCDC转换器以简化设计，除了提供更多的PD功率之外，采用外部功率MOSFET也能进一步地大幅降低总体PD散热量并提高电源效率。
 

MP8017 PD控制器设计，MPS

 
小结
 
PoE利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。随着PSE、PD设计在功率、尺寸、效率上更进一步，PoE将在智能照明、医学成像、数字标牌等越来越多新型应用领域里大展身手。